О расчёте оптики хорошего 10x микрообъектива

Забавная инфографика и мысли про разработку микроскопных объективов.

В последнее время я упражнялся в расчете высококачественных объективов (плохих уже хватает на Алиэкспресс) для микроскопов с большим полем зрения (под матрицу формата 36x24 мм) и изрядно запотел уже на 10x увеличении. Как оказалось, тянуть вдвое большее поле (притом плоское) при вменяемой коррекции в пределах всего диапазона, видимого глазу и большинству камер — 400-700 нм — очень нелегко! Я полагал, что достаточно будет пересчитать старые советские схемы с новыми материалами без особого усложнения, но как бы ни так: советские объективы (да и большинство недорогих современных) вообще не исправлены в диапазоне от 400 до 450-470 нм, а именно этот диапазон обеспечивает максимальный геморрой при расчете и, в случае неисправления — знатную фиолетовую бахрому на фото. Да и по полю большинство советских объективов (и других тех же лет) просто никакие — то из-за неисправленного латерального хроматизма, то из-за астигматизма и кривизны поля, а чаще из-за всего и сразу.

Так, например штатник от микроскопа «Биолам» поздних версий — ЛОМО План 10x0.2, схема которого мне досталась однажды, имеет довольно простую пятилинзовую конструкцию, но использует примитивные оптические материалы — обычные кроны и флинты. Результат — ужасающий по современным меркам сферохроматизм, ужасная хроматика по полю, большая кривизна поля (не такой уж он и «План»). Разрешение на матрице составляет всего ~30 лин/мм, что по нынешним меркам никуда не годится ни для какой камеры, строго говоря. До дифракционного качества совсем не дотягивает — можно смело его диафрагмировать, если сильно охота пользоваться для фото. Объектив у меня в руках был вживую, мне он не понравился вообще. Единственный его плюс — большое рабочее расстояние (~13 мм). Схема, однако, показалась мне любопытной, захотелось поиграться с этим гибридом Таира и Рихтера — объективы с менисками мы любим, да.

По мере исполнения расчета с использованием самых новых материалов каталога CDGM я с ужасом наблюдал, как 5 линз превращаются легчайше в 6, а потом пришлось сдаться и пощепить еще раз — и вот их уже 7, а я уперся в материалы и во всякие критичные отрезки и расстояния. Качество выросло сказочно, поле увеличено вдвое, хотя светосила, то есть числовая апертура, выросла лишь немного. 10x0.22 — это некая аллюзия на распиаренный и продаваемый втридорога советский объектив ОПХ-10Л ЛОМО 10х0.22. Единственное, хотелось все же получить разрешение 50 лин/мм, а не 45, но достичь дифракционного предела мне не позволял уровень хроматизма.

Но я все же не зря долгое время «курил» чудесную диссертацию, выполненную неким китайцем под руководством видного профессора Герберта Гросса из Йены (у него и лекции хороши). Насмотревшись на 12-15 линзовые Митутойо я пустился во все тяжкие и «запилил» тройную склейку на месте одиночной ED-линзы в 10x0.22 объективе, притом задрав ему апертуру до классических 0.25 и, в общем-то, сделав его апохроматом (400-750 нм) с околодифракционным качеством и большим рабочим расстоянием 11 мм. Объектив показывает себя терпимо даже в ИК-диапазоне до 1000 нм. Ох, это сильно не то, что называлось «Апо» в СССР: те были по-прежнему исправлены лишь от 450 до 650 нм, да еще и со всякими «нечестными» приемами типа компенсации искажений в специальном окуляре. В моем объективе линз стало уже 9, но зато какой эффект: пятнышко удалось вписать в кружок дифракционного диска Эйри!

Практически уверен: ни у одного производителя сегодня такой игрушки нет. Но может и когда-то будет. Может даже из-за меня.

Рисунки оптических схем рассматриваемых объективов.
Рисунки оптических схем рассматриваемых объективов.
Диаграмма аберрационных пятен моделируемых объективов. То есть изображение бесконечно малой точки, которое дает объектив.
Диаграмма аберрационных пятен моделируемых объективов. То есть изображение бесконечно малой точки, которое дает объектив.
Графики частотно-контрастной характеристики моделируемых объективов для взвешенного диапазона 400-700 нм на оптической оси. Показывают оптическое качество, в идеале совпадают с дифракционной кривой.
Графики частотно-контрастной характеристики моделируемых объективов для взвешенного диапазона 400-700 нм на оптической оси. Показывают оптическое качество, в идеале совпадают с дифракционной кривой.
115 views·6 shares